GF-1B、C、D星数据质量在轨测试评价研究

□ 浙江省自然资源调查登记中心 敖为赳 陈文志 童英良

2018年3月31日，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭，以“一箭三星”方式成功将GF-1B、C、D星送入预定轨道。GF-1B、C、D星是国家民用空间基础设施规划的首批业务化应用卫星。3星组网并投入运行后，可实现同一地区2天重访，15天以内对全球覆盖一遍，获取规模化的1∶2.5万-1∶5万自然资源调查、监测以及应急等专题应用产品，大幅度提高山、水、林、田、湖、草等自然资源全要素、全覆盖调查监测能力，实时掌控自然资源数量、质量、生态动态变化，为国家自然资源资产管理和自然生态监管提供精准信息保障。要用好GF-1B、C、D星数据，使其在自然资源调查与监测中发挥重要作用，就需要对GF-1B、C、D星的数据质量开展综合评价，系统评价GF-1B、C、D星全色、多光谱载荷标准影像产品数据质量、数据精度等。

一、数据来源与测试方法

（一）数据源

本文采用GF-1B、C、D星数据，每颗卫星装载2台2米/8米相机，地面幅宽优于60公里，具有高质量、高效能成像的优势，可实现快速地获取全球2米全色、8米多光谱影像。

▲ 图1 数据测试方法研究

（二） 测试流程与方法

1. 测试流程

数据测试流程主要分为资料收集、数据质量评价和制图测试评价、成果评价与分析4个阶段。收集研究数据包括GF1-A、B、C、D星，其他光学卫星和土地专题数据；数据质量评价从辐射特性和信息量两方面进行研究；制图测试评价从几何畸变、成图比例尺和制图效率方面研究；完成上述工作后进行成果评价与分析。见图1。

2. 测试方法

本次测试评价主要通过对数据基本质量、制图测试、制图效率等三个方面，定性、定量地评价影像质量，并与稳定运行的GF-1A星数据进行横向比较。

（1）数据基本质量评价

采用主、客观相结合的方法，对GF-1B、C、D星多光谱载荷标准1A级影像数据基本质量进行评价，包括辐射特性、信息量等。辐射特性方面，从图像数据的灰度特征、纹理特征、能量特征等方面，其中包括信噪比、灰度动态范围等开展定量和定性评价。信息量方面，从图像数据的信息熵、清晰度等方面开展定量与定性评价。

表1 GF-1B、C、D卫星影像灰度特征对比表

（2）制图测试评价

采用GF-1B、C、D星影像2A级产品，及历年土地利用遥感影像图/土地利用数据，依据行业应用规范规定的技术流程和方法，开展土地利用遥感影像图制图相关的几何畸变、成果比例尺等评价。

（3）制图效率评价

主要从以下几方面进行评价。

①首先进行波段配准，控制点从10开始逐渐递增，分别记录GF-1B、C、D星2A级产品与基础底图数据波段匹配结果满足1∶5万影像图制图规范时所需的控制点数，同时对不同控制点规模下波段匹配精度进行分析。

② 在完成波段配准后，通过参考影像匹配或控制点库匹配的方式，分别对GF-1B、C、D星和国内外其它高分卫星数据获取一系列校正控制点，使用逐渐递增的控制点规模，结合DEM数据，开展正射校正，分别记录正射校正后影像满足1∶5万制图规范时，所对应的控制点数。

③GF-1B、C、D星数据处理工作时间效率的统计评价。

二、测试结果与分析

（一）数据基本质量评价

选用GF-1B、C、D星标准1级产品多光谱影像，从几何畸变、灰度特征、纹理特征、能量特征等几个方面，定性或定量地对GF-1B、C、D星标准1级产品影像进行质量评价。并与GF-1A数据进行比较。

1.影像灰度特征

影像灰度特征包括影像灰度值（DN值）的统计分析参数，包括：灰度动态范围、均值、标准差、偏斜度、清晰度。见表1。

2.影像纹理特征

文主要采用对比度、均质性、角二阶矩、熵等指标对高分一号A、B、C、D星进行影像纹理特征计算，计算结果如表2所示。

表2 影像纹理特征对比表

表3 影像能量特征统计表

3.影像能量特征

采用二维影像多尺度小波变换，从细节能量、边缘能量两个方面，对影像的能量进行分析。Mallat 算法在小波分析理论中地位颇高，是根据多分辨率分析理论所提出，该算法使得小波分析理论得到了突破性发展，并使其得到了广泛应用。本项目在matlab中利用Mallat算法计算影像能量特征值。见表3。

4.数据基本质量评价结果分析

针对本次试验数据，辐射特性方面，整体噪声水平低，部分影像内建设用地地块存在高亮问题，但单个高亮图斑面积不大，对实际地类的目视判读影响有限。在灰度动态范围上，B、C、D星数据是高分一号的4倍，能表现的层次更丰富，色彩空间更广。但是从灰度均值分布上看，B、C、D星不及高分一号，尤其B星数据灰度均值明显低于中值，存在整体偏暗的问题。偏斜度方面，高分一号B、C、D星数据基本呈正态分布，且偏斜度更低，普遍低于高分一号数据2个数量级以上，质量更优。清晰度方面，高分一号B星数据与高分一号数据基本持平，C星数据各波段高出高分一号35%-128%，D星数据各波段均高出高分一号1倍以上，清晰度更好，细节地物表现能力更强。纹理特征方面，B、C、D星数据在2、3、4波段的对比度低于高分一号，其中D星数据略优于B、C星。在均质度和角二阶矩这两项指标上B、C、D星数据高于高分一号，而在熵这项指标上低于高分一号，表明B、C、D星数据在纹理特征上稍弱于高分一号。影像能量特征方面，B、C、D星数据影像能量均匀，99.99%集中在细节能量，信息量较好。

表4 GF-1B、C、D卫星数据成图比例尺计算表

表5 制图效率统计表

（二）制图测试评价

利用2A级影像对基于GF-1B、C、D星数据的土地利用遥感影像图制图相关的几何畸变、成图比例尺等进行评价。

1.几何畸变

应用PCI GXL软件自动选取控制点功能，以研究区第二次土地调查成果影像为底图，分别对GF-1A、B、C、D星选取控制点。A星选取了33个，B星选取了38个，C星选取了32个，D星选取了43个。根据计算结果比较它们的几何畸变程度，以象元为统计单位。由测试结果可知，GF-1B、C、D星影像畸变程度小，验证点的平均残差均较小，可控制在1.2个像元左右，且均低于GF-1A数据。纠正后影像与二调影像在同一窗口打开，逐屏检查影像后，没有明显抖动或错位、没有明显畸变，线状地物连贯，A、B、C、D四星影像数据校正效果都好。

2.成图比例尺评价

以控制点库数据作为真值，分别求出正射校正后的GF-1A、GF-1B、GF-1C、GF-1D四星影像的定位误差，并确定成图比例尺。

根据成图比例尺公式确定各星成图比例尺。成图比例尺公式：

式中，M 为成图比例尺的分母，R是卫星遥感影像空间分辨率（单位：米），C为影像几何校正系数，即：经几何校正以后的像元位置均方根差RMSE，以像元为单位；e为人眼的分辨率，通常在0.1-0.3毫米。见表4。

综合各星成图比例尺来看，GF-1B、C、D卫星数据无法满足1∶10000成图比例尺的要求，最佳成图比例为1∶25000。

（三）制图效率评价

评价利用GF-1B、C、D卫星数据进行土地应用影像图制图工作中，有关波段配准以及几何精校正的工作效率。见表5。

对GF-1A、B、C、D四星进行波段配准及正射校正，将控制点数从10开始逐渐递增，开展正射校正，记录表示正射校正后影像满足1∶5万制图规范时所对应的最少控制点数。其结果如上表所示。本次测试选用影像处理软件自动选点，平均19秒左右即可完成几何校正，且最多16个控制点即可达到制图规范要求，制图效率高，便于大范围应用。

总体来说，GF-1B、C、D星制图效率高，进行波段配准及几何精校正所需的处理时间少，仅16个控制点即可达到制图规范要求，利于制图工作的快速开展。

三、结论与展望

通过对GF-1B、C、D星数据测试分析认为，GF-1B、C、D星综合评价数据质量较GF-1A星清晰度更好，细节地物表现能力更强，信息量更为丰富。GF-1B、C、D星数据基本质量良好，几何畸变小，能满足1∶25000成图比例尺要求，制图效率较高。GF-1B、C、D卫星幅宽大，约为67公里，单颗星单景数据覆盖面积约为4500平方公里，是GF-1A星单景数据的近4倍面积。GF-1B、C、D星幅宽大且多星组网运行，极大地提升了我国2米级分辨率光学卫星的数据获取能力。特别是对于浙江地区多山、地形复杂多样，有利于光学卫星拍摄的晴好无云天气有限、卫星数据获取困难的情况下，GF-1B、C、D卫星的发射，能够为浙江省山水林田湖草自然资源调查监测监管的有效卫星数据获取提供有力保障。